інверсна заселеність
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Інверсна заселеність - це концентрація атомів з однаковим енергетичним з- стоянням; в термодинамічній рівновазі підпорядковується статистиці Больцмана:
Де - концентрація атомів, стан електронів в яких відповідає енергетичним рівням з енергією і.
Коли концентрація збуджених атомів більше, ніж порушених, величина # 916; n = негативна, отже, населеність нормальна. Коли концентрація збуджених атомів більше, ніж збудженому (що забезпечується впливом енергії накачування), величина # 916; n стає позитивною, тобто відбувається інверсія заселеність і проходить випромінювання може посилюватися за рахунок збуджених атомів.
формально умова # 916; n> 0 виконується при абсолютній мінусовій температурі T <0, поэтому состояние с инверсной населенностью иногда называют состоянием с отрицательной температурой, а среду, в которой осуществлено состояние с инверсной населенностью – активной средой.
У напівпровідникових лазерах інверсія між населенням енергетичних рівнів зони провідності і валентної зони досягається инжекцией носіїв при позитивному зсуві p-n-переходу.
Лазерне посилення - це посилення оптичного випромінювання, засноване на використанні індукує випромінювання - при впливі кванта випромінювання на атом у збудженому стані, відбувається перехід електрона зі стану з енергією в стан з енергією. супроводжуваний випусканням кванта випромінювання c енергією, яка дорівнює енергії змушує кванта h # 957; = -.
У середовищі з достатньою концентрацією збуджених атомів при пропущенні через неї випромінювання, можна отримати режим посилення, якщо кількість які утворилися фотонів істотно більше втрат на поглинання і розсіяння.
Інжекційний лазер представлений на малюнку 1.3
Мал. 1.3.Схема пристрої напівпровідникового інжекційного лазера (лазерного діода)
На рис.1. 4 представлено положення рівня Фермі у власному і домішковому напівпровідниках. Одне з важливих властивостей рівня Фермі полягає в тому, що в системі, що складається з напівпровідників n- і p-типу і якщо до них не докладено напруга, рівні Фермі у них вирівнюються (рис.1. 4 а). А якщо вони знаходяться під різними потенціалами, то рівні Фермі в них зсуваються на величину різниці потенціалів (рис.1. 4. б).
Рис.1. 4. Енергетична діаграма инжекционного напівпровідникового лазера: p-n перехід без прикладеного зовнішнього напруги (а); p-n перехід при додатку зовнішнього напруги в прямому напрямку (б). d - ширина p-n переходу, l - реальна ширина області, що забезпечує роботу лазера.
В цьому випадку в зоні p-n переходу створюється інверсна населеність і електрони здійснюють перехід із зони провідності в валентну зону (рекомбинируют з дірками). При цьому випускаються фотони. За таким принципом працює світлодіод. Якщо для цих фотонів створити зворотний позитивний зв'язок у вигляді оптичного резонатора, то в області p-n переходу при великих значеннях зовнішнього прикладеної напруги можна отримати лазерну генерацію. При цьому процес утворення і рекомбінації нерівноважних носіїв відбувається хаотично і випромінювання має малою потужністю і є некогерентним і немонохроматичним. Це відповідає світлодіодному режиму роботи напівпровідникового випромінювача. При збільшенні струму вище порогового значення випромінювання стає когерентним, його спектральна ширина сильно звужується, а інтенсивність різко зростає - починається лазерний режим роботи напівпровідникового випромінювача. При цьому також збільшується ступінь лінійної поляризації генерованого випромінювання.
На рис.1. 5 схематично представлена конструкція напівпровідникового лазера і розподіл інтенсивності вихідного випромінювання. Як правило, в такому лазері резонатор створюється поліруванням двох діаметрально протилежних сторін кристала, перпендикулярних площині p-n переходу. Ці площини робляться паралельними і поліруються з високим ступенем точності. Вихідну поверхню можна розглядати як щілину, через яке проходить випромінювання. Кутова розбіжність випромінювання лазера визначається дифракцією випромінювання на цій щілини. При товщині p-n переходу в 20 мкм і шириною - 120 мкм, кутова розбіжність відповідає приблизно 60 в площині XZ і 10 - в площині YZ.
Рис.1. 5. Принципова схема лазера на p-n переході. 1-область p-n переходу (активний шар); 2-перетин лазерного пучка в площині ХY.
Мал. 1.6. Напівпровідникова подвійна гетероструктура. 1-який проводить металізований шар для створення електричного контакту; 2-шар GaAs (n); 3-шар Al0.3Ga0.7As (n); 4-шар, відповідний зоні інжекції носіїв заряду (p-n-перехід); 5-шар Al0.3Ga0.7As (p); 6-шар GaAs (p); 7-непровідний шар оксиду металу для обмеження струму через p-n-перехід, який формує зону генерації випромінювання; 8,9-прилеглі шари для створення електричного контакту; 10-підкладка з теплоотводом.
Мал. 1.7 .Енергетіческая схема подвійний гетероструктури, вісь Y і номера шарів відповідають рис. 1. 6. # 916; Еgc-ширина забороненої зони; # 916; Еgv-ширина забороненої зони p-n-переходу.
Мал. 1. 8. Напівпровідниковий лазер з гетероструктур: l - довжина резонатора
Активна середовище- речовина, в якому створюється інверсна заселеність. У різних типах лазерів вона може бути твердою (кристали рубіна або алюмоїттрієвого граната, скло з домішкою неодиму у вигляді стрижнів різного розміру і форми), рідкої (розчини анілінових барвників або розчини солей неодиму в кюветах) і газоподібної (суміш гелію з неоном, аргон, вуглекислий газ, водяна пара низького тиску в скляних трубках). Напівпровідникові матеріали і холодна плазма, продукти хімічної реакції теж дають лазерне випромінювання. Лазери отримують назви в залежності від використовуваної активного середовища.
Хоча напівпровідникові лазери і є твердотільними, їх прийнято виділяти в особливу групу. У цих лазерах когерентне випромінювання виходить внаслідок переходу електронів з нижнього краю зони провідності на верхній край валентної зони.
Існує два типи напівпровідникових лазерів.
Перший має пластину бездомішкового напівпровідника, де в якості напівпровідників використовуються арсенід галію GaAs, сульфід кадмію CdS або селенід кадмію CdSe
Другий тип напівпровідникового лазера - так званий інжекційні лазер - складається з домішкових напівпровідників, у яких концентрація донорних і акцепторних домішок становить 1018-1019. Для інжекційних лазерів застосовують головним чином арсенід галію GaAs.
Умова створення інверсної населеності для напівпровідників на частоті v має вигляд:
Тобто, щоб випромінювання в напівпровідниковому монокристалі посилювалося, відстань між рівнями Фермі для електронів і дірок повинно бути більше енергії кванта світла hv. Чим менше частота, тим при меншому рівні збудження досягається інверсна населеність.
Накачування створює инверсную заселеність в активних середовищах, причому для кожного середовища вибирається найбільш зручний і ефективний спосіб накачування. У твердотільних і рідинних лазерах використовують імпульсні лампи або лазери, газові середовища збуджують електричним розрядом, напівпровідники - електричним струмом.
У напівпровідникових лазерах використовується накачування електронним пучком (для напівпровідникових лазерів з бездомішкового напівпровідника) і подачею прямого напруги (для інжекційних напівпровідникових лазерів).
Накачування електронним пучком може бути поперечної (рис. 3.1) або поздовжньої (рис. 3 .2). При поперечної накачуванні дві протилежні грані напівпровідникового кристала відполіровані і грають роль дзеркал оптичного резонатора. У разі поздовжньої накачування застосовуються зовнішні дзеркала. При поздовжньої накачуванні значно поліпшується охолодження напівпровідника. Приклад такого лазера - лазер на сульфіді кадмію, що генерує випромінювання з довжиною хвилі 0,49 мкм і має ККД близько 25%.
Мал. 3.1 - Поперечна накачування електронним пучком
Мал. 3.2 - Поздовжня накачування електронним пучком
В інжекційних лазері є p-n-перехід, утворений двома виродженими домішковими напівпровідниками. При подачі прямого напруги знижується потенційний бар'єр в p-n-переході і відбувається інжекція електронів і дірок. В області переходу починається інтенсивна рекомбінація носіїв заряду, при якій електрони переходять із зони провідності в валентну зону і виникає лазерне випромінювання (рис. 3.3).
Мал. 3.3 - Принцип пристрою інжекційного лазера
Накачування забезпечує імпульсний або безперервний режим роботи лазера.
Резонаторпредставляет собою пару дзеркал, паралельних один одному, між якими поміщена активне середовище. Одне дзеркало ( «глухе») відображає весь падаючий на нього світло; Друге, напівпрозоре, частина випромінювання повертає в середу для здійснення вимушеного випромінювання, а частина виводиться назовні у вигляді лазерного променя. Як «глухого» дзеркала нерідко використовують призму повного внутрішнього, як напівпрозорого - стопу скляних пластин. Крім того, підбираючи відстань між дзеркалами, резонатор можна налаштувати так, що лазер стане генерувати випромінювання тільки одного, чітко визначеного типу (так звану моду).
Найпростішим оптичним резонатором, широко застосовуваним у всіх видах лазерів, служить плоский резонатор (інтерферометр Фабі - Перо), що складається з двох плоскопаралельних пластин, розташованих на відстані один від одного.
В якості однієї пластини можна використовувати глухе дзеркало, коефіцієнт відображення якого близький до одиниці. Друга пластина повинна бути напівпрозорою, щоб генерується випромінювання могло вийти з резонатора. Для збільшення коефіцієнта відображення поверхонь пластин на них зазвичай наносяться багатошарові діелектричні відображають покриття. Поглинання світла в таких покриттях практично відсутня. Іноді відображають покриття наносяться безпосередньо на плоскопараллельние торці стрижнів активного середовища. Тоді необхідність в виносних дзеркалах відпадає.
Мал. 4.1. Типи оптичних резонаторів: а - плоский, б - призменний, в - конфокальний, г - полуконцентріческій, д - складовою, е - кільцевої, ж, з - схрещені, і - з бреггівськими дзеркалами. Заштриховані активні елементи.
Як глухого дзеркала в оптичному резонаторі можна використовувати прямокутну призму (рис. 4.1, б). Промені світла, що падають перпендикулярно до внутрішній площині призми, в результаті дворазового повного відображення виходять з неї в напрямку, паралельному осі резонатора.
Замість плоских пластин в оптичних резонаторах можуть використовуватися увігнуті напівпрозорі дзеркала. Два дзеркала з однаковими радіусами кривизни, розташовані так, що їх фокуси знаходяться в одній точці Ф (рис. 4.1, в), утворюють конфокальний резонатор. Відстань між дзеркалами l = R. Якщо ця відстань зменшити в два рази так, щоб фокус одного дзеркала виявився на поверхні іншого, то вийде софокусних резонатор.
Для наукових досліджень і різних практичних цілей застосовуються більш складні резонатори, що складаються не тільки з дзеркал, а й інших оптичних елементів, що дозволяють контролювати і змінювати характеристики лазерного випромінювання. Наприклад, рис. 4. 1, д. - складовою резонатор, в якому підсумовується генерується випромінювання від чотирьох активних елементів. У лазерних гіроскопах використовується кільцевої резонатор, в якому два променя поширюються в протилежних напрямках по замкнутій ламаної лінії (рис. 4. 1, е).
Для створення логічних елементів обчислювальних машин та інтегральних модулів використовуються багатокомпонентні схрещені резонатори (рис. 4. 1. ж, з). Це по суті сукупність лазерів, що допускають їх селективне збудження і об'єднаних разом сильної оптичної зв'язком.
Особливий клас лазерів становлять лазери з розподіленим зворотним зв'язком. У звичайних оптичних резонаторах зворотний зв'язок встановлюється через відображення генерованого випромінювання від дзеркал резонатора. При розподілі зворотного зв'язку відображення походить від оптично неоднорідному періодичної структури. Прикладом такої структури служить дифракційна решітка. Вона може бути створена механічним шляхом (рис. 4. 1, і) або селективним впливом на однорідну середу.
Використовуються й інші конструкції резонаторів.
За визначенням, до елементів резонатора необхідно відносити також пасивні і активні затвори, модулятори випромінювання, поляризатори і інші оптичні елементи, що застосовуються при отриманні генерації.
Втрати в резонаторі
Генерацію випромінювання можна представити так: робоча речовина лазера поміщають в резонатор і включають систему накачування. Під дією зовнішнього збудження створюється інверсна населеність рівнів, а коефіцієнт поглинання в деякому спектральному інтервалі стає менше нуля. В процесі збудження, ще до створення інверсної населеності, робоча речовина починає люминесцировать. Проходячи через активне середовище, спонтанне випромінювання посилюється. Величина посиленнявизначається твором коефіцієнта посилення на довжину шляху світла в активному середовищі. У кожному типі резонаторів є такі обрані напрямки, що промені світла внаслідок відображення від дзеркал проходять через активне середовище в принципі нескінченну кількість разів. Наприклад, в плоскому резонаторі через активне середовище можуть пройти тільки промені, що поширюються паралельно осі резонатора. Всі інші промені, які падають на дзеркала під кутом до осі резонатора, після одного або декількох відображень виходять з нього. Так з'являються втрати.
Виділяють кілька видів втрат на резонаторі:
1.Потеря на дзеркалах.
Оскільки частина генерується в середовищі випромінювання необхідно вивести з резонатора, що застосовуються дзеркала (принаймні одне з них) робляться напівпрозорими. Якщо коефіцієнти відображення дзеркал за інтенсивністю рівні R1 і R2. то коефіцієнт корисних втрат на вихід випромінювання з резонатора в розрахунку на одиницю довжини буде задаватися формулою:
Якщо промінь поширюється усередині резонатора не строго нормально поверхонь дзеркал, то після певного числа віддзеркалень він досягне країв дзеркал і покине резонатор.
3. Дифракційні втрати.
Розглянемо резонатор, утворений двома плоскопараллельнимі круглими дзеркалами радіусом a. Нехай на дзеркало 2 падає паралельний пучок випромінювання з довжиною хвилі # 955 ;. Пучок відбивається від дзеркала і одночасно дифрагує в кут порядку d # 981; ≈ # 955; a. Числом Френеля для даного резонатора називається число проходів між дзеркалами, коли підсумкова розбіжність пучка досягне кута виходу випромінювання за краю дзеркал # 981; = a / L
4.Рассеяніе на неоднорідностях активного середовища.
Якщо резонатор заповнений активним середовищем, то виникають додаткові джерела втрат. При проходженні випромінювання через активне середовище частина випромінювання розсіюється на неоднорідностях і сторонніх включених, а також послаблюється в результаті нерезонансного поглинання. Під нерезонансна поглинанням розуміють поглинання, пов'язане з оптичними переходами між рівнями, які не є робітниками для даного середовища. Сюди ж можуть бути віднесені втрати, пов'язані з частковим розсіюванням і поглинанням енергії в дзеркалах.